生物化學課件7.生物氧化

上海市精品課程系列----生物化學第七章

生物氧化第七章生物氧化7.1

代謝與能量的關系7.2

生物氧化的特點和方式7.3

線粒體生物氧化體系7.1

代謝與能量的關系自由能高能化合物能荷代謝與能量的關系7.1

代謝與能量的關系自由能指在某一個熱力學過程中系統(tǒng)減少的內(nèi)能中可以轉化為對外作功的部分定義式：ΔG=ΔH-TΔS=G產(chǎn)物

-G底物物理意義：－ΔG=W

(體系中能對環(huán)境作功的能量)當熵增加時，系統(tǒng)的自由能便會下降物理和化學過程達到平衡時，即達到系統(tǒng)的自由能最小而熵最大自由能的變化能預示某一過程能否自發(fā)進行

ΔG<0

反應能自發(fā)進行

ΔG>0

反應不能自發(fā)進行

ΔG=0

反應處于平衡狀態(tài)7.1

代謝與能量的關系高能化合物在標準條件下（pH7，25℃，1mol/L）發(fā)生水解時，可釋放出5kcal/mol（21kJ/mol）以上自由能的化合物高能鍵：在高能化合物分子中，被水解斷裂時釋放出大量自由能的活潑共價鍵，常用符號“~”表示

高能磷酸化合物：一類分子中含磷酸基團，它被水解下來時釋放出大量自由能的高能化合物高能鍵≠

鍵能高焦磷酸化合物（ATP）?；姿峄衔铮?,3-二磷酸甘油酸）

烯醇磷酸化合物（磷酸烯醇式丙酮酸）胍基磷酸化合物（磷酸肌酸）硫酯化合物（乙酰CoA）甲硫鍵化合物（S-腺苷甲硫氨酸）7.1

代謝與能量的關系焦磷酸化合物最重要的高能化合物——ATP能量轉換過程的中間載體磷酸基團轉移反應的中間載體7.1

代謝與能量的關系1,3-二磷酸甘油酸酰基磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）烯醇式磷酸化合物7.1

代謝與能量的關系磷酸肌酸胍基磷酸化合物硫酯化合物?；o酶AS-腺苷甲硫氨酸甲硫鍵化合物7.1

代謝與能量的關系能荷是細胞中高能磷酸狀態(tài)一種數(shù)量上的衡量，對代謝起著重要的調控作用數(shù)值在0~1之間，大多數(shù)細胞維持在0.8~0.95范圍內(nèi)7.1

代謝與能量的關系代謝與能量的關系7.2

生物氧化的特點和方式生物氧化的定義生物氧化的內(nèi)容生物氧化的特點生物氧化的方式ATP的生成方式7.2

生物氧化的特點和方式生物氧化的定義有機物質在生物體內(nèi)的氧化作用（伴隨著還原作用）統(tǒng)稱為生物氧化細胞呼吸實質為有機化合物（糖、脂、蛋白質等）在活細胞中進行氧化，生成H2O和CO2，并伴有ATP生成的過程7.2

生物氧化的特點和方式生物氧化的內(nèi)容

CO2是如何生成的？（脫羧反應）

H2O是如何生成的？（電子傳遞鏈）

能量如何轉化？（底物水平磷酸化和氧化磷酸化）

直接脫羧作用

氧化脫羧作用代謝物上脫下的氫與生物體吸進的O2化合生成代謝物MH2

氧化型H2O

一個或多個傳遞體

M還原型O27.2

生物氧化的特點和方式生物氧化的特點共同點

化學本質相同常見方式有脫氫、脫電子和加氧最終產(chǎn)物是CO2和H2O

同種物質釋放能量相等相比于體外氧化（非生物氧化反應）不同點

在活細胞中進行在細胞中有嚴格的定位（細胞膜和線粒體）有酶催化，反應條件溫和

分階段逐步緩慢地氧化，能量也逐步釋放釋放的能量可先貯存在高能化合物中7.2

生物氧化的特點和方式生物氧化的方式不同底物、不同組織、不同生長周期各不相同狹義的生物氧化的概念7.2

生物氧化的特點和方式ATP的生成方式生物氧化途徑光合作用途徑

底物水平磷酸化

氧化磷酸化（主要）底物通過氧化引起分子內(nèi)部能量重新分布，形成的高能磷酸化合物直接將磷酸基團轉移給ADP，使之磷酸化生成ATPNADH或FADH2將電子傳遞給分子氧的過程與ADP的磷酸化偶聯(lián)，使電子傳遞過程中釋放的能量用于ATP的生成

光合磷酸化7.2

生物氧化的特點和方式底物水平磷酸化7.2

生物氧化的特點和方式氧化磷酸化（線粒體內(nèi)膜）7.2

生物氧化的特點和方式光合磷酸化

（葉綠體的類囊體）7.3

線粒體生物氧化體系線粒體的結構和功能特點呼吸鏈氧化磷酸化線粒體外NADH的氧化7.3

線粒體生物氧化體系線粒體的結構和功能特點

雙層膜結構外膜光滑，內(nèi)膜折疊成嵴，伸向基質內(nèi)外膜之間為膜間腔7.3

線粒體生物氧化體系

外膜對大多數(shù)小分子物質和離子可通透內(nèi)膜須依賴膜上的特殊載體選擇性地運載物質進出基質中含有全部與有機酸氧化分解有關的酶內(nèi)膜上存在著多種酶與輔酶組成的電子傳遞鏈，或稱呼吸鏈，是線粒體功能的主要承擔者內(nèi)膜上的ATP合成酶利用電子傳遞過程釋放的能量合成ATP，完成線粒體的供能作用7.3

線粒體生物氧化體系呼吸鏈

NADH呼吸鏈（主要）

FADH2呼吸鏈概念類型由一系列的遞氫體和遞電子體按一定的順序排列所組成的連續(xù)反應體系，它將代謝物脫下的成對氫原子交給氧生成水，同時有ATP生成本質是酶、輔酶、輔基或輔因子煙腺胺腺嘌呤二核苷酸或CoI，是許多不需氧脫氫酶的輔酶，煙酰胺基團的可逆性還原而遞氫，接受代謝物上脫下的氫，生成NADH，是雙電子傳遞體7.3

線粒體生物氧化體系

NAD+

黃素蛋白（FP）

鐵硫蛋白輔酶Q

細胞色素呼吸鏈的組成NAD+代謝物氧化產(chǎn)物

水溶性

與酶蛋白可逆結合

往返于基質和內(nèi)膜含有兩種輔基，一種為黃素單核苷酸（FMN），另一種為黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。在FAD、FMN分子上可以進行可逆的脫氫加氫反應，是雙電子傳遞體7.3

線粒體生物氧化體系黃素蛋白（FP）分子中常含2或4個Fe（稱非血紅素鐵）和2或4個對酸不穩(wěn)定硫，其中一個Fe原子能可逆地還原而傳遞電子。在NADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶中均含有多個不同的鐵硫蛋白，它們可將電子由FMNH2（或FADH2）轉移到泛醌上7.3

線粒體生物氧化體系鐵硫蛋白Fe-4S2Fe-2S4Fe-4S+1e-1e屬醌類，脂溶性，可在內(nèi)膜的脂雙層中自由擴散。它通過醌/酚結構互變進行電子傳遞，每次傳遞兩個電子和兩個質子，在呼吸鏈中作為雙電子傳遞體7.3

線粒體生物氧化體系輔酶Q（CoQ）唯一的非蛋白組分是以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質，屬單電子傳遞體，通過輔基中的鐵離子價的可逆變化進行電子傳遞7.3

線粒體生物氧化體系細胞色素

+eFe3+Fe2+

－e+eCu2+Cu+

－e

Cyta（Cytaa3）——末端氧化酶

CytbCytc（Cytc、Cytc1）Cytc：外周蛋白，其輔基血紅素與酶蛋白共價連接7.3

線粒體生物氧化體系呼吸鏈組分在線粒體內(nèi)膜上的分布四種具有傳遞電子功能的復合物和兩種可移動的電子傳遞體CoQ和Cytc

復合物I：NADH-CoQ還原酶，催化NADH氧化，CoQ還原復合物II：琥珀酸-CoQ還原酶，催化琥珀酸氧化，CoQ還原

復合物III：CoQ-細胞色素c還原酶，催化CoQH2氧化，Cytc還原

復合物IV：細胞色素氧化酶，催化Cytc氧化，O2還原7.3

線粒體生物氧化體系膜間腔（P側，正極）基質（N側，負極）NADH脫氫酶（復合物I）7.3

線粒體生物氧化體系膜間腔基質3-磷酸甘油3-磷酸甘油脫氫酶琥珀酸

脂酰CoA

脂酰CoA脫氫酶琥珀酸脫氫酶

（復合物II）7.3

線粒體生物氧化體系膜間腔（P側）基質（N側）細胞色素還原酶（復合物III）7.3

線粒體生物氧化體系膜間腔（P側）基質（N側）2CuACuBHemeaHemea3細胞色素氧化酶（復合物IV）7.3

線粒體生物氧化體系NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈7.3

線粒體生物氧化體系呼吸鏈的電子傳遞順序7.3

線粒體生物氧化體系電子流動方向呼吸鏈中電子傳遞時標準氧還電位的升高7.3

線粒體生物氧化體系呼吸鏈的電子傳遞抑制劑魚藤酮、安密妥、殺蝶素A抗霉素A氰化物、CO、H2S、疊氮化合物7.3

線粒體生物氧化體系氧化磷酸化伴隨著代謝物脫氫及氫和電子在呼吸鏈上傳遞最后交給氧生成水的氧化途徑，所釋放的能量使ADP磷酸化生成ATP，這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程氧化磷酸化的磷氧比（P/O）呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數(shù)值相當于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)新的測定結果NADH：2.5FADH2：1.57.3

線粒體生物氧化體系氧化磷酸化的機理呼吸鏈中電子傳遞體在內(nèi)膜上有著特定的不對稱分布，氫和電子的傳遞體交替排列，使氫和電子交替?zhèn)鬟f，從而使H+發(fā)生定向轉移，即從內(nèi)膜內(nèi)側向外側轉移。氧化和磷酸化之間通過H+的電化學梯度偶聯(lián)起來。H+的電化學梯度是質子返回膜內(nèi)的勢能，稱為質子移動力，是ADP磷酸化形成ATP的動力。ADP+Pi

+

{H+}膜外

→

ATP

+

H2O

+

{H+}膜內(nèi)

化學偶聯(lián)假說

構象偶聯(lián)假說

化學滲透偶聯(lián)假說電子的傳遞相當于是質子泵7.3

線粒體生物氧化體系化學滲透偶聯(lián)假說化學勢

內(nèi)堿外酸質子回流驅動ATP合成電動勢

內(nèi)負外正ATP合成酶7.3

線粒體生物氧化體系ATP合酶復合體F1F0鑲嵌在線粒體內(nèi)膜上的許多小的球狀顆粒，是合成ATP的多酶復合物，稱

ATP合成酶，或稱F0-F1

ATP酶，是氧化磷酸化的

重要偶聯(lián)因子它由兩個主要部分F0和F1再加柄連接構成。F1即偶聯(lián)因子，呈球形，通過一個柄（由蛋白質組成）接到包埋在線粒體內(nèi)膜的柄底F0上ATP的生成量7.3

線粒體生物氧化體系輔助因子輔助因子輔助因子輔助因子FMN→Fe-SFAD→Fe-SFe-S，血紅素血紅素，Cu離子7.3

線粒體生物氧化體系10H+

/6H+

（一對電子泵出的質子數(shù)）4H+（合成一分子ATP消耗的質子數(shù)）NADHFADH2ATP＝3個H+通過ATP合酶驅動ADP的磷酸化，1個H+用于轉移ATPNADH：2.5FADH2：1.5氧化磷酸化的偶聯(lián)部位7.3

線粒體生物氧化體系偶聯(lián)部位7.3

線粒體生物氧化體系影響氧化磷酸化的因素甲狀腺激素能促進線粒體的氧化磷酸化，增加ATP的形成

激素的調節(jié)

ATP/ADP比值的影響抑制劑的作用主要受細胞對能量需求的調節(jié)：ATP多時，ATP的生成受抑制；ADP多時，ATP的合成加快

呼吸鏈抑制劑——阻斷電子傳遞而抑制氧化磷酸化

解偶聯(lián)